ITC PODSTAWOWE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE (IV-V) SZKOLENIE ZAWODOWE ENERGETYKA PODSTAWY WIEDZY marzec czerwiec 2011 r

Transkrypt

1 Podstawowe technologie energetyczne PODSTAWOWE TECHOLOGIE EERGETYCZE (IV-V) Krzysztof Badyda Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Cieplnej Zakres tematyczny 1. Turbiny gazowe i układy gazowo-parowe 2. Technologie energetyki jądrowej 3. Ogniwa paliwowe + mała kogeneracja 4. Materiały energetyczne (wybrane zagadnienia) SZKOLEIE ZAWODOWE EERGETYKA PODSTAWY WIEDZY marzec czerwiec 2011 r euchatel 1939 do 2002 pierwsza przemysłowa turbina gazowa do produkcji energii elektrycznej (BBC)moc 4 MW, sprawność 17.4% Patenty związane z koncepcją turbiny gazowej: John Barber (patent t-ny gazowej z roku UK patent no ) Frank Whittle (patent silnika turbinowego i komory spalania 1937)

2 P KS Z S T Schemat turbiny gazowej w układzie prostym: G S-sprężarka, T-turbina, G-prądnica, KS-komora spalania, P-pompa paliwa, Z-zawór obejściowy euchatel 1939 do 2002 pierwsza przemysłowa turbina gazowa do produkcji energii elektrycznej (BBC) moc 4 MW sprawność 17.4% Schemat komory spalania: 1-wtryskiwacz paliwa, 2-osłona, 3-rura żarowa, 4-strefa spalania, 5-powietrze wtórne, 6-strefa mieszania. Turbina gazowa, nazywana też silnikiem turbogazowym lub (nie zawsze poprawnie) silnikiem turbospalinowym czy turbiną spalinową, jest silnikiem cieplnym, w którym procesy sprężania i rozprężania odbywają się w maszynach wirnikowych. Chłodny czynnik sprężany jest w sprężarce, gorący zaś - rozpręża się w turbinie. Wynika stąd konieczność podgrzania czynnika za sprężarką, co osiąga się najczęściej bezpośrednio w komorze spalania przez spalenie w niej odpowiedniej ilości paliwa. Czynnikiem roboczym jest wtedy początkowo powietrze, a następnie spaliny. W takim przypadku mamy więc do czynienia z silnikiem o spalaniu wewnętrznym, nazywanym silnikiem turbospalinowym. Możliwe jest też pośrednie podgrzanie czynnika w nagrzewnicy, gdzie ogrzewa się on dzięki wymianie ciepła za pośrednictwem ścianek, najczęściej metalowych. Jako czynnik roboczy stosuje się w tedy zwykle inne gazy niż powietrze czy spaliny. Termin turbina gazowa jest tu więc określeniem ogólniejszym niż termin turbina spalinowa. Suma z "dodatniej" pracy turbiny i "ujemnej" pracy sprężarki stanowi pracę użyteczną układu zespołów, składającego się na całość turbiny gazowej. 1-osiowa (15-stopniowa) sprężarka powietrza, 2-mechanizm sterujący łopatkami obrotowymi kierownic pierwszego stopnia sprężarki, 3-płaszcz zewnętrzny komory spalania typu silosowego, 4-płaszcz wewnętrzny komory, 5-palniki niskoemisyjne 6-kanał dolotowy spalin do turbiny, 7-osiowa, 3-stopniowa turbina gazowa, 8-wlot powietrza, 9-wylot spalin, 10-łożysko wirnika Sylwetka turbiny gazowej GT8C

3 EC Gorzów turbina gazowa GT8C + kocioł odzysknicowy (przykładowy schemat siłowni gazowo-parowej) Blok z turbiną gazową GT8: 1-czerpnia powietrza do sprężarki z układem filtracyjnym, 2 układ łopatkowy sprężarki powietrza, 3-układ łopatkowy turbiny, 4-komora spalania (typu silosowego), 5-przekładnia, 6-generator elektryczny, 7-układ wyprowadzenia spalin Blok S-109FB General Electric z turbiną gazową klasy 9FB i turbiną parową A15 na wspólnym wale (b): 1-czerpnia powietrza do sprężarki z układem filtracyjnym, 2-turbina parowa z wylotem osiowym, 3-skraplacz, 4-generator, 5-turbozespół gazowy, 6-kocioł odzysknicowy (poziomy), 7-układ wyprowadzenia spalin

4 Turbina gazowa małej mocy. Zwarta konstrukcja układu przepływowego Podstawowe dane turbiny (układ jedno wałowy i dwuwałowy) paliwo gazowe TBM-RB211 TBM-RB211-T Moc na zac. generatora: kw Strumień energii w paliwie: kw Sprawność (elektr): % Strumień spalin wylotowych: kg/s Temp. Spalin wylotowych C Finger top" (około 3 kw). Wirnik maszyny powinien mieści się na końcu palca, jak na pokazanej fotografii Turbina gazowa portable. Agregat, wraz z zapasem paliwa ma ciężar około 70 kg, daje się zmieścić w bagażniku samochodu osobowego oraz przenosić przez dwie osoby. Turbina gazowa średniej mocy z wielostopniową sprężarką osiową oraz pierścieniową komora spalania

5 Komory spalania turbiny V94.3 zainstalowanej w budynku maszynowni (jeszcze bez wewnętrznej osłony akustycznej)

6 Moc efektywna turbiny gazowej e wyk. do napędu maszyny roboczej (np prądnicy) równa jest: e = T K m gdzie: T - moc wewnętrzna turbiny, K - moc wewnętrzna sprężarki, m - straty mocy na pokonanie oporów mechanicznych oraz na napęd urządzeń pomocniczych. Turbina gazowa oddaje moc na zewnątrz, gdy T > K + m bieg jałowy odpowiada równości T = K + natomiast przy T < K + układ nie może oczywiście pracować samodzielnie. Od strony termodynamicznej charakteryzują turbinę gazową następujące wskaźniki; - spręż Π, t j. stosunek największego do najmniejszego ciśnienia w układzie Pmax Π = P - stosunek Θ największej do najmniejszej temperatury czynnika Tmax Θ = Tmin - sprawność cieplna i η c = ; i = T min p m m K Moc efektywną e oraz sprawność efektywną η e turbiny gazowej łączą z mocą wewnętrzną, sprawnością cieplną, sprawnością mechaniczną η m zależności e e = i m ; η e = =ηc ηm p - jednostkowa moc wewnętrzna (współczynnik koncentracji mocy) i j = GK gdzie G k oznacza strumień masy w przekroju wlotowym sprężarki lub - jednostkowy przepływ masy GK 1 d = = - wskaźnik mocy i ϕ = T gdzie T jest mocą turbiny. Wskazane wielkości wiążą się że wskaźnikami techniczno-ekonomicznymi turbiny gazowej. Spręż jest jedną z głównych wielkości określających rozwiązania konstrukcyjne sprężarki i jej osiągi. Od największej temperatury (stosunek Θ) zależy dobór materiałów konstrukcyjnych, rozwiązanie układu chłodzenia oraz okres eksploatacji instalacji. Sprawność cieplna wiąże się bezpośrednio z kosztami zużywanego paliwa (koszty zmienne), a moc jednostkowa - z wymiarami kanałów przepływowych, a więc i kosztami wykonania układu (koszty stałe), malejącymi przy większej koncentracji mocy. Układy o mniejszej wartości wskaźnika mocy są bardziej czułe na wszelkie zmiany i zakłócenia w pracy układu (np. zmniejszenie sprawności zespołów), co jest niekorzystną cechą w eksploatacji. i j TEMPERATURA (T) SPRĘŻAIE 1 2 DOPROWADZEIE CIEPŁA 3 OBIEG PORÓW. 4 ETROPIA (s) ROZPRĘŻAIE W TURBIIE TEMPERATURA SPALI WYLOTOWYCH Schemat procesu cieplnego turbiny gazowej (obieg prosty) Jako obieg porównawczy wykorzystywany cykl Joule abraytona przy spalaniu wewnętrznym lub obieg Joule a przy niezmiennym składzie czynnika w obiegu ) uwaga, wynik analiz otrzymujemy różny!!! dla obiegu idealnego i rzeczywistego.

7 Schemat procesu cieplnego turbiny gazowej w układzie prostym (obieg rzeczywisty) Zależność mocy jednostkowej i sprawności cieplnej turbiny gazowej od sprężu. PROCES CIEPLY TURBIY GAZOWEJ Charakterystyki turbiny gazowej w układzie prostym: sprawność cieplna i moc jednostkowa (niżej). Przyjęto η pt = 0,88, η pk = 0,88, ε = 0,95, T 1 = 288 K (15 C). Kolejne linie na charakterystykach odpowiadają stałym wartościom temperatury T 3. Rozwój konstrukcji energetycznych turbin gazowych wielkiej mocy Rok ** 1998*** Temperatura dolotowa* spalin (za komorą spalania) przyszłe (od 2011) 1600 (1700) Spręż do ok.35 Temperatura wylotowa spalin do otoczenia Chłodzenie łopatek turbiny kierown.(1) kierown.(1,2) wirnik (1) kierown. (1,2) wirnik (1,2) kierown. (1,2,3) wirnik (1,2,3) kierown. (1,2,3) wirnik (1,2,3) kierown. (1,2,3) wirnik (1,2,3) Zakres mocy [MW] Sprawność w obiegu prostym [%] do 45% Sprawność w ob. gazowoparowym (typu CC) [%] >61 (62 65) * Temperatura spalin przed pierwszym wieńcem wirnikowym (TIT, RIT) ** turbiny klasy F General Electric i Westinghouse, Siemens V84.3/V ta sama osiągana klasa mocy i sprawności *** turbiny klasy H General Electric klasy G Westinghouse, Siemens V84.3A/94.3A oraz ABB GT24/26 - ta sama osiągana klasa mocy i sprawności Wartości parametrów otoczenia (ciśnienie, temperatura, wilgotność), w celu uzyskania porównywalności osiągów, są przyjmowane według standardów ISO - p 0 = MPa (760 mmhg), t 0 = 15 C, ϕ 0 = 60%. W takiej sytuacji podstawowymi wielkościami warunkującymi osiągi turbiny gazowej w obiegu prostym (przede wszystkim sprawność cieplną oraz jednostkową moc wewnętrzną) pozostają parametry czynnika roboczego na wlocie turbiny (temperatura t 3 oraz ciśnienie p 3 ).

8 Wartość względna [%] Temperatura na wlocie do sprężarki [ C] Wpływ temperatury zewnętrznej na osiągi turbiny gazowej Jedn. zuż. ciepła Zużycie ciepła (paliwa) Str. masy spalin wylotowych Moc t-ny Średnia temperatura w płaszczyźnie A. Średnia temperatura w płaszczyźnie B. Temperatura obliczana na podstawie bilansu komory spalania (bez uwzględnienia potrzeb chłodzenia. Różne sposoby definiowania temperatury spalin napływających do turbiny gazowej (TIT, RIT, temperatura wg ISO) producenci stosują zależnie od przyjętej tradycji. Turbina gazowa klasy 200 MW - przykładowe parametry Moc na zaciskach generatora MW przy czym moc wewnętrzna sprężarki (około) MW sprawność wewnętrzna sprężarki (około) 88% moc wewnętrzna turbiny (trójstopniowej - około) MW sprawność wewnętrzna turbiny (około) 87.5% Sprawność brutto (na zaciskach generatora) 34.96% Strumień masy powietrza do sprężarki kg/s Strumień masy spalin wylotowych 595 kg/s Temperatura spalin wylotowych o C w warunkach ISO, tzn przy: temperaturze powietrza na wlocie do sprężarki 15 o C wilgotności względnej 60% ciśnieniu zewnętrznym bara straty ciśnienia na wlocie 10 mbar straty ciśnienia na wylocie 10 mbar spręż sprężarki π= 15.7 Do komory spalania wtryskiwana jest woda w ilości 4.3 kg/s temperatura dolotowa do turbiny (def. ISO) 1120 o C (liczona z bilansu kom. spalania i chłodzenia powietrzem) Turbina gazowa klasy 200 MW - przykładowe parametry (c.d.) paliwo (przykładowe) gaz ziemny o wartości opałowej kj/kg strumień masy kg/s udział wagowy węgla 69.77% udział wagowy wodoru 23.42% wspomnianym warunkom odpowiada powietrze dolotowe o następujących parametrach: udział objętościowy tlenu % udział objętościowy azotu % udział objętościowy pary wodnej 1.012% skład spalin wylotowych w opisanych warunkach jest następujący udział objętościowy tlenu % udział objętościowy azotu % udział objętościowy dwutlenku węgla 3.411% para wodna 8.851% Gdyby zbudować układ gazowo parowy strata mocy turbiny związana ze zmianą rozprężu (około) 2.5 MW moc cieplna ze spalin (schłodzenie do C - około) 294 MWth moc kondensacyjnej części parowej (sprawność 35%) 103 MW

9 Stosowane w praktyce parametry obiegu prostego Zmiany sprawności energetycznych turbin gazowych oraz układów gazowo-parowych według danych Alstom Power Wzrost temp. spalin oraz temp. materiału łopatek (w przeszłości w tempie około 10ºC rocznie) w turbinach gazowych prognoza zmian parametrów przed turbiną. Rok wprowadzenia do eksploatacji (komercyjnej) Sprawność [%] S prawność Trend sprawności Moc [MW] Sprawność turbin gazowych (LHV), cały oferowany zakres mocy. Dane według Gas Turbine World Handbook Sprawność bloków gazowo-parowych (LHV), cały oferowany zakres mocy. Dane według Gas Turbine World Handbook

10 paliwo komora spalania S P S WP T WP T P T G Schemat powiązań mechanicznych turbozespołu lotniczopochodnego. S P, S WP odpowiednio część P oraz WP sprężarki, T WP, T P część WP oraz P turbiny. T G niezależna (wolna) turbina. Układ trójwałowy na bazie dwuwałowej turbiny lotniczej. Układ przepływowy turbiny lotniczopochodnej z zaznaczeniem granicy pomiędzy generatorem gazu oraz wolną turbiną (oparte na przykładzie JT8D Pratt & Whitney). Porównanie konstrukcji wyjściowej (turbina lotnicza CF6 80C2) oraz zmodyfikowanej dla pracy stacjonarnej (turbina lotniczopochodna LM 6000 PC) według GE (układ dwuwałowy konstrukcji wyjściowej oraz lotniczopochodnej). Zestawienie zastosowań silnika lotniczego oraz silników lotniczopochodnych na przykładzie LM General Electric

11 Zestawienie danych General Electric dotyczące długości serii produkcyjnych turbin lotniczych i lotniczopochodnych (stan na maj/luty 2005) Typowa krzywa rozruchowa turbiny gazowej lotniczopochodnej. Podane wartości mają charakter orientacyjny i zmieniają się zależnie od konstrukcji maszyny Żaroodporność materiałów jest własnością złożoną, która charakteryzuje w jednym terminie żarotrwałość i żarowytrzymałość. Przez żarotrwałość rozumiana jest odporność materiału na utlenianie w wysokich temperaturach oraz na niszczące chemiczne działanie różnych związków zawartych w czynniku roboczym. Żarowytrzymałość to wytrzymałość w tych temperaturach na działanie obciążeń mechanicznych. ajbardziej obciążonym zespołem konstrukcyjnym turbiny gazowej, narażonym równocześnie na działanie wysokiej temperatury, działanie korozyjne czynnika roboczego oraz duże obciążenia mechaniczne jest zespół wirnika turbiny, przede wszystkim - łopatki wirujące pierwszego stopnia. Temperatura metalu tych łopatek jest już w układzie bez chłodzenia nieco niższa od temperatury T 3 czynnika przed turbiną. Temperatura T metalu łopatki omywanej strumieniem czynnika roboczego * jest bliska temperaturze spiętrzenia T 1,w ruchu względnym * w1 c1 w1 T T1 + = T3 2c p 2c p gdzie: T 1 oznacza temperaturę statyczną za wieńcem kierowniczym, w 1 - prędkość względną na wlocie do wieńca wirującego, c 1 - prędkość wypływu z wieńca kierowniczego, c p - ciepło właściwe czynnika roboczego przy stałym ciśnieniu.

12 Jakość tworzonego stopu zależy niezwykle od sposobu przeprowadzenia całego procesu technologicznego produkcji. Wśród zabiegów służących podniesieniu żarotrwałości i żarowytrzymałości wyróżniamy: techniki topienia i odlewania w powietrzu i w próżni, kontrola składu i budowa wewnętrzna (wielkość ziaren, wielkość i ilość faz oraz wydzieleń, struktura na granicach ziaren) kierunkowe krzepnięcie budowa monolityczna (monokrystaliczna) umacnianie dyspersyjne tlenkami. Krzywe rozciągania stali węglowej w zależności od temperatury. Poszczególne krzywe mają przesunięte osie wydłużenia ε, których początek pokrywa się z początkiem krzywej rozciągania. Krzywa pełzania przykładowego stopu żaroodpornego w stałej temperaturze 750 C, przy stałych naprężeniach rozciągających 61 MPa; z - zniszczenie próbki. Wpływ obciążenia (naprężeń σ r ) na przebieg krzywych pełzania przy niezmiennej temperaturze T = const; z - zniszczenie próbki. Wpływ temperatury na przebieg krzywych pełzania przy niezmiennym obciążeniu (σ r = const) Żarowytrzymałość materiału oceniana jest zwykle za pomocą dwóch wskaźników: wytrzymałości na pełzanie R z(τ)t, nazywanej też czasową wytrzymałością na pełzanie, określającej naprężenie R powodujące rozerwanie próbki (indeks z), po czasie τ, w temperaturze pracy T, przy czym τ wyrażone jest tu w godzinach, a T w C. Tak więc np. R z(10000)500 = 30 MPa oznacza, że dla danego materiału naprężenie 30 MPa spowoduje w temperaturze 500 C zerwanie próbki po godzin. granicy pełzania R x(τ)t, określającej naprężenie R, które po czasie τ, w temperaturze pracy T, spowoduje wydłużenie próbki x, przy czym x wyraża się tu w %, τ w godzinach, a T w C. a przykład zapis R 0,2(1000)950 = 28 MPa oznacza, że dla danego materiału naprężenie 28 MPa spowoduje w temperaturze 950 C, w czasie 1000 godzin wydłużenie 0,2%. Zwykle przyjmuje się tu jako graniczne odkształcenie plastyczne:. ε p = 0,1 0,2% Powłoki antykorozyjne oraz powłoki ochrony termicznej (TBC) Wyróżnia się obecnie trzy główne typy korozji: znana jako korozja typu II, warstwowa, charakteryzująca się niejednolitym przejściem między metalem bazowym a jego tlenkiem na powierzchni. ie wykazuje on istnienia związków siarki. Pojawia się w temperaturach poniżej ok. 700 o C, korozja typu I; budowa nie warstwowa. Występuje w temperaturach powyżej 775 o C i charakteryzuje się łagodnym przejściem metal bazowy-tlenek oraz występowaniem związków siarki pod powierzchnią tlenków, powyżej ok. 880 o C, mechanizmem korozji wiodącym prym staje się proces utleniania. ajwcześniej stosowane powłoki zawierały głównie aluminium, jako środek dobrze chroniący przed utlenianiem.. Obecnie stosuje się również podwójne powłoki. Zewnętrzną aluminiową chroniącą przed utlenianiem i wewnętrzną chroniącą przed korozją typu I oraz II. Jako dodatki wykorzystuje się również pierwiastki takie jak hafn, tantal, rhen w różnych kombinacjach z itrem. iektóre powłoki zawierają także krzem poprawiający przyleganie powłoki do materiału bazowego. Powłoki ochrony termicznej zwane w skrócie (TBC) są szeroko stosowane w turbinach gazowych, szczególnie na elementach pracujących pod dużym obciążeniem cieplnym takich jak łopatki turbin kanały dolotowe lub komory spalania. Zadaniem tego rodzaju powłok jest opóźnienie przepływu ciepła z warstwy zewnętrznej do wewnątrz materiału. Pozwala to na obniżenie zapotrzebowania na ilość powietrza chłodzącego łopatki, lub na podwyższenie temperatury T 3.

13 I III II IV I - układ z wysokociśnieniową wytwornicą pary, II - układ ze zrzutem spalin do kotła, III-układ z kotłem odzysknicowym, IV - układ wykorzystujący mieszaninę spalin i pary S - sprężarka, T - turbina, KS - komora spalania, TP - turbina parowa kondensacyjna, WWP - wysokociśnieniowa wytwornica pary (kocioł doładowany).. Podstawowe schematy cieplne sprzężenia turbiny parowej i gazowej w układzie gazowo-parowym Obiegi porównawcze (teoretyczne) odpowiadające układom gazowoparowym o sposobie sprzężenia części parowej i gazowej jak poprzednio Tempeartura T [ C] T 1min = const. p = MPa p = MPa p = MPa T min = const Moc cieplna Q [MW] Wykres T-Q ilustrujący sposób prowadzenia obliczeń części parowej dla różnych wartości ciśnienia generowanej pary PODSTAWOWE URZĄDZEIA W CIĄGU POWIETRZA I SPALI W ISTALACJI Z TURBIĄ GAZOWĄ, Z ODZYSKIEM CIEPŁA FILTR POWIETRZA GEERATOR ELEKTRYCZY KOMI GORĄCY, TŁUMIK TURBIA GAZOWA Turbozespół gazowy ZAWÓR ROZDZIELCZY KOCIOŁ ODZYSK- ICOWY PALIKI DOPALA- JĄCE KOMI ZIMY, TŁUMIK Część związana z odzyskiem ciepła PARA (LUB WODA)

14 Typowe konfiguracje kotła odzysknicowego: pionowa oraz pozioma Układ jednowałowy (bloku gazowo-parowego) z przekładnią lub bez Układ dwuwałowy (bloku gazowo-parowego) z przekładnią lub bez Schemat chłodzenia stóp łopatek i tarczy wirnika powietrzem przepływającym przez kanały w strefie połączenia łopatek z tarczą: 1-wkładka (deflektor), 2-tarcza wirnika, 3,5-jodełkowy zamek łopatki, 4-łopatka wirująca, 6-uszczelnienie międzyłopatkowe, T-temperatura metalu łopatki, T K - temperatura łopatki przy stopie (po lewej). Różne sposoby chłodzenia powietrzem łopatek kierowniczych i wirujących: I- łopatka powłokowa, II-łopatka z otworami, III-łopatka z blaszaną osłoną, IVłopatka ze zrzutem powietrza przez krawędź spływu, V-łopatka z osłoną i zrzutem przez krawędź spływu, VI-łopatka z chłodzeniem w warstwie przyściennej po prawej. Rozwiązanie układu chłodzenia elementów turbiny stosowane w turbinach gazowych największej mocy (BBC, typu 11 oraz 13) po lewej. Przekrój przez łopatkę kierowniczą pierwszego stopnia turbiny chłodzoną na drodze konwekcji wymuszonej: a) przekrój, I-I; b) przekrój przez część łopatki chłodzoną na drodze konwekcji; c) dodatkowe chłodzenie w warstwie przyściennej (film cooling) dzięki dwóm rzędom otworków A i B po prawej.

15 Chłodzenie łopatek turbinowych Rozwój metod chłodzenia łopatek wirnikowych turbin gazowych a) układ jednobiegowy z chłodzeniem wewnętrznym (lata 60-te), b) układ jednobiegowy z chłodzeniem wewnętrznym oraz błonowym (lata 70-te), c) układ pięciobiegowy z rozbudowanym zasilaniem oraz rozległym chłodzeniem błonowym.

16 Rozwój żarowytrzymałych stopów niklu i kobaltu oraz technologii ich wytwarzania